基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法，包括如下步骤：利用层析成像系统在受测者穿戴的单层EIT电极圈上获取电压数据；图像重建得到二维层析图像；利用电场的边缘效应估算膀胱的轴向位置I和轴向长度H；利用图像处理方法对获得的二维层析图像进行处理，得到膀胱截面积，并利用估算的轴向位置对所得到的膀胱截面积进行校正；通过估算的轴向长度和校正的膀胱截面积，估算膀胱体积。本发明专利技术利用传感器在膀胱体积变化过程中感知到的边缘效应的差异，通过测量这一差异推算出膀胱在传感器轴向上的位置和长度信息，以充分提取常规二维层析成像所包含的三维空间分布信息，提高膀胱体积估计的准确度。

Bladder Volume Measurement Based on Edge Effect of Single-Layer EIT Electrode

The invention discloses a bladder volume measurement method based on the edge effect of single-layer EIT electrode, which includes the following steps: obtaining voltage data on the single-layer EIT electrode ring worn by the subject by using a tomographic imaging system; obtaining two-dimensional tomographic images by image reconstruction; estimating the axial position I and the axial length H of the bladder by using the edge effect of the electric field; and using image processing method to obtain two. The cross-sectional area of the bladder is obtained by processing the dimensional tomographic images, and the estimated axial position is used to correct the cross-sectional area of the bladder. The volume of the bladder is estimated by the estimated axial length and the corrected cross-sectional area of the bladder. The invention utilizes the difference of edge effect perceived by the sensor in the process of bladder volume change, and calculates the position and length information of the bladder on the axis of the sensor by measuring the difference, so as to fully extract the three-dimensional spatial distribution information contained in conventional two-dimensional tomography and improve the accuracy of bladder volume estimation.

【技术实现步骤摘要】
基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法
本申请涉及电阻抗层析成像技术(EIT)在膀胱尿量监测领域的应用，更具体地说，涉及一种基于单层EIT电极边缘效应的三维体积参数测量膀胱体积的方法。
技术介绍
因脑出血、中风等疾病或创伤所导致的脊髓损伤将会引起患者膀胱排尿功能障碍或者尿意缺失，由此引发的膀胱过度充盈易导致严重的尿滞留和尿路感染，继而引发慢性肾功能衰竭，成为脊髓损伤患者死亡的第一位原因。传统的导尿管插入术由于是入侵式易导致尿失禁膀胱高压等并发症。其他方法如计算机断层成像(CT)，超声检测等非实时方法也可用于尿量监测，不能满足连续监测的临床应用要求。常规的实时测量方法有一维阻抗测量和电阻抗层析成像法。一维的二电极法和四电极法，使用信号分析和处理方法从一维阻抗测量信号中提取有效膀胱体积信息。但由于电极个数有限，空间分布信息较少，与膀胱体积变化的相关性不够强(LiRH,GaoJW,LiYN,WuJP,ZhaoZQandLiuY.Apreliminarystudyofassessingbladderurinaryvolumeusingelectricalimpedancetomography.J.Med.Biol.Eng.,2016,36:7179.)，并且受电极粘贴位置和尿液电导率等因素影响较大，在实际应用中存在很大障碍。电阻抗层析成像法一般使用多个电极对膀胱所在平面进行成像，如德国亚琛工业大学的Leonhardt等人将体外一维电阻抗测量推广到二维电阻抗层析成像，通过提高空间分辨率来改善膀胱体积的测量准确度(LeonhardtS,CordesA,PlewaH,PikkemaatR,SoljanikI,MoehringK,GernerHJandRuppR.Electricimpedancetomographyformonitoringvolumeandsizeoftheurinarybladder.Biomed.Tech./Biomed.Eng.,2011,56:301307.)。但这种方法仍是二维空间信息提取，而膀胱随着体积增加是向三维空间扩展的，存在从三维简化到二维的近似测量误差。重庆大学的研究人员利用平板式EIT电极阵列(8×8)研究了膀胱的三维图像重建和空间信息提取方法(HeW,RanP,XuZ,LiBandLiSN.A3DvisualizationmethodforbladderfillingexaminationbasedonEIT.Comput.Math.MethodsMed.,2012,2012(1):528096.)，在离体模拟实验中同时得到了成像盐水块的深度和体积信息，相比二维层析成像改善了体积估计的准确度，但是所设计的平板式电极阵列不好固定在人体腹部实现长期连续监测。例如，在现有技术中，专利申请号为201510026916.9的中山大学的一种基于电阻抗断层成像技术的膀胱尿量实时监测装置和方法所采用的通过所采集到的电阻抗数据重构膀胱所在横断面的二维彩色图像，并通过后续算法提取体积参数来预测膀胱积尿量。但是这种方法只提取了被测对象(如膀胱)的二维截面信息，没有获得三维的空间分布信息，因而对诸如体积大小等参数的估计存在模型上的简化误差。
技术实现思路
为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本专利技术设计了一种基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法，其利用传感器在膀胱体积变化过程中感知到的边缘效应的差异，通过测量这一差异推算出膀胱在传感器轴向上的位置和长度信息，以充分提取常规二维层析成像所包含的三维空间分布信息，提高膀胱体积估计的准确度。边缘效应原理说明：由于电场的“软场”特性(相对于X射线和光的直线传播而言)，二维成像传感器的电场分布存在边缘效应，即，电场在测量电极上下两个边缘处发生扭曲，并扩散到传感器周围的三维空间。这一现象的直接结果是二维层析成像可以探测到传感器周围三维空间内的物质分布，而不仅仅是传感器横截面内的分布。以站立的人体为例(下同)，考虑到电极带的固定以及同人体接触阻抗的优化，一般电极带位于膀胱上方，即，电阻抗测量有赖于传感器的边缘场探测。然而以前的膀胱体积监测没有评估电场边缘效应对成像和测量的影响，且没有对膀胱第三维上的长度信息进行提取，只是利用二维测量结果来估算膀胱体积，这样的测量方式存在较大的误差和不一致性。本专利技术对膀胱体积测量进行了优化，首先，在模型上，膀胱充满时不是球形而是卵圆形，同椭球体更相近；其次在尿量增加时，膀胱的体积和位置会同时发生变化，电阻抗层析成像所成图像的变化，不仅由于膀胱体积增加，还同膀胱位置的偏移有关。本申请正是通过对边缘效应的分析，将膀胱位置的偏移对图像的影响分离出来，进而分析由于膀胱体积增加而导致图像的变化，从而提取膀胱体积的三维信息提高体积监测的准确度。基于边缘效应，观察到对于偏离轴心的感兴趣物体(如膀胱位于人体躯干靠前的位置)，由于盆骨的约束膀胱在径向上变化较小，在高度上即轴向偏移越大，膀胱距离电极平面越近，图像中最大灰度值点的位置同膀胱中心所在位置差异越大。通过对最大灰度值点轴向偏移的分析提取膀胱的高度变化值即轴向偏移距离。同时膀胱体积越大，所成图像的最大灰度值越大，在确定膀胱轴向偏移距离后，通过同排空膀胱时的图像最大灰度值进行比较，可以确定膀胱的轴向长度。(由于模型中椭球体截面直径和轴向长度有一个比例关系，如1:1.2，可用轴向长度表征体积)本专利技术正是利用边缘效应来提取膀胱在第三维空间分布信息并减小二维测量的误差。根据本专利技术的一方面，提供了一种基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法，包括如下步骤：S1：利用层析成像系统在受测者穿戴的单层EIT电极圈上获取电压数据；S2：使用获取的电压数据，图像重建得到二维层析图像；S3：利用电场的边缘效应估算膀胱的轴向位置I和轴向长度H；S4：利用图像处理方法对步骤S2中获得的二维层析图像进行处理，得到膀胱截面积，并利用步骤S3中估算的轴向位置对所得到的膀胱截面积进行校正；S5：通过步骤S3中估算的轴向长度和步骤S4中校正的膀胱截面积，估算膀胱体积。进一步地，所述单层EIT电极圈包括i个EIT电极，所述步骤S1包括：当膀胱内的尿量为零时，获取初始参考电压数据向量Vr；随着膀胱内的尿量增加，实时获取N组电压数据向量，每组电压数据向量包括i(i-3)个电压值。进一步地，所述步骤S2具体为：应用差分成像方法，通过灵敏度矩阵S将测量数据向量ΔVm和图像像素点向量ΔGm关联起来，即,ΔVm＝S*ΔGm，其中,ΔVm＝(Vm-Vr)/Vr,Vm是获取的第m组电压数据向量，m＝1,2,3,…,M；ΔGm为第m组电压数据向量对应的EIT图像像素点向量，基于ΔVm和灵敏度矩阵S，通过图像重建算法计算得到ΔGm。在一些实施方式中，可以通过牛顿-拉夫森方法计算ΔGm，具体过程如下：迭代过程中的测量数据向量ΔVm和图像像素点向量和ΔGm之间存在非线性关系ΔVm＝F(ΔGm)考虑以测量值和计算值的误差范数平方作为目标函数，有如下目标函数：由牛顿-拉夫森迭代形式，可知ΔGm的k+1次迭代为：其中，梯度和Hessian矩阵Hk分别为：其中，Sk＝F′(ΔGm,k)式中，pk为第k次迭代方向，将上式带入可得：Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：利用层析成像系统在受测者穿戴的单层EIT电极圈上获取电压数据；S2：使用获取的电压数据，图像重建得到二维层析图像；S3：利用电场的边缘效应估算膀胱的轴向位置I和轴向长度H；S4：利用图像处理方法对步骤S2中获得的二维层析图像进行处理，得到膀胱截面积，并利用步骤S3中估算的轴向位置对所得到的膀胱截面积进行校正；S5：通过步骤S3中估算的轴向长度和步骤S4中校正的膀胱截面积，估算膀胱体积。

【技术特征摘要】
1.一种基于单层EIT电极边缘效应的膀胱体积测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：利用层析成像系统在受测者穿戴的单层EIT电极圈上获取电压数据；S2：使用获取的电压数据，图像重建得到二维层析图像；S3：利用电场的边缘效应估算膀胱的轴向位置I和轴向长度H；S4：利用图像处理方法对步骤S2中获得的二维层析图像进行处理，得到膀胱截面积，并利用步骤S3中估算的轴向位置对所得到的膀胱截面积进行校正；S5：通过步骤S3中估算的轴向长度和步骤S4中校正的膀胱截面积，估算膀胱体积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单层EIT电极圈包括i个EIT电极，所述步骤S1包括：当膀胱内的尿量为零时，获取初始参考电压数据向量Vr；随着膀胱内的尿量增加，实时获取N组电压数据向量，每组电压数据向量包括i(i-3)个电压值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：应用差分成像方法，通过灵敏度矩阵S将测量数据向量ΔVm和图像像素点向量ΔGm关联起来，即,ΔVm＝S*ΔGm，其中,ΔVm＝(Vm-Vr)/Vr,Vm是获取的第m组电压数据向量，m＝1,2,3,…,M；ΔGm为第m组电压数据向量对应的EIT图像像素点向量，基于ΔVm和灵敏度矩阵S，通过图像重建算法计算得到ΔGm，在每一个像素点p上的EIT差分成像结果Fm,N(p)为当前数据前N组EIT图像像素点向量的标准偏差:其中其中，N为求当前像素点成像结果所需的EIT图像像素点向量的组数；n是求解标准偏差时其中的某组图像像素点向量的组号，n＝m-N+1，m-N+2…m；ΔGn(p)是求解标准偏差时其中的某组图像像素点向量；是N组图像像素点向量的均值，最终获取求标准偏差后的最终图像。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过牛顿-拉夫森方法计算ΔGm，具体过程如下：迭代过程中的测量数据向量ΔVm和图像像素点向量和ΔGm之间存在非线性关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙江涛，徐立军，梁小凤，田文斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11